DirectX/10.0/Direct3D/3D 模型渲染

本教程將介紹如何使用 HLSL 在 DirectX 11 中渲染 3D 模型。本教程中的程式碼基於漫射光照教程中的程式碼。

我們已經在之前的教程中渲染了 3D 模型，但它們是由單個三角形組成的，而且相當無趣。現在已經涵蓋了基礎知識，我們將繼續渲染更復雜的物件。在這種情況下，物件將是一個立方體。在我們開始介紹如何渲染更復雜的模型之前，我們首先討論模型格式。

有許多工具可供使用者建立 3D 模型。Maya 和 3D Studio Max 是兩個更受歡迎的 3D 建模程式。還有許多其他功能較少的工具，但仍然可以滿足我們的基本需求。

無論您選擇使用哪種工具，它們都會將其模型匯出為多種不同的格式。我的建議是您建立自己的模型格式並編寫解析器將它們的匯出格式轉換為您自己的格式。這樣做的原因是您使用的 3D 建模包可能會隨著時間的推移而發生變化，它們的模型格式也會發生變化。此外，您可能使用多個 3D 建模包，因此您將需要處理多種不同的格式。因此，如果您有自己的格式並將它們的格式轉換為您自己的格式，那麼您的程式碼將永遠不需要更改。您只需要更改解析器程式來將這些格式更改為您自己的格式。此外，大多數 3D 建模包會匯出大量僅對該建模程式有用的垃圾，而您在自己的模型格式中不需要這些垃圾。

建立自己的格式最重要的部分是它涵蓋了您需要它完成的所有內容，並且它易於您使用。您也可以考慮為不同的物件建立幾個不同的格式，因為有些可能包含動畫資料，有些可能是靜態的，等等。

我將要介紹的模型格式非常基礎。它將包含模型中每個頂點的行。每行將與程式碼中使用的頂點格式匹配，即位置向量 (x, y, z)、紋理座標 (tu, tv) 和法線向量 (nx, ny, nz)。該格式還將在頂部包含頂點數量，以便您可以讀取第一行並構建所需的記憶體結構，然後再讀取資料。該格式還要求每三行構成一個三角形，並且模型格式中的頂點以順時針順序呈現。以下是我們將要渲染的立方體的模型檔案

Cube.txt

Vertex Count: 36

Data:

-1.0  1.0 -1.0 0.0 0.0  0.0  0.0 -1.0
 1.0  1.0 -1.0 1.0 0.0  0.0  0.0 -1.0
-1.0 -1.0 -1.0 0.0 1.0  0.0  0.0 -1.0
-1.0 -1.0 -1.0 0.0 1.0  0.0  0.0 -1.0
 1.0  1.0 -1.0 1.0 0.0  0.0  0.0 -1.0
 1.0 -1.0 -1.0 1.0 1.0  0.0  0.0 -1.0
 1.0  1.0 -1.0 0.0 0.0  1.0  0.0  0.0
 1.0  1.0  1.0 1.0 0.0  1.0  0.0  0.0
 1.0 -1.0 -1.0 0.0 1.0  1.0  0.0  0.0
 1.0 -1.0 -1.0 0.0 1.0  1.0  0.0  0.0
 1.0  1.0  1.0 1.0 0.0  1.0  0.0  0.0
 1.0 -1.0  1.0 1.0 1.0  1.0  0.0  0.0
 1.0  1.0  1.0 0.0 0.0  0.0  0.0  1.0
-1.0  1.0  1.0 1.0 0.0  0.0  0.0  1.0
 1.0 -1.0  1.0 0.0 1.0  0.0  0.0  1.0
 1.0 -1.0  1.0 0.0 1.0  0.0  0.0  1.0
-1.0  1.0  1.0 1.0 0.0  0.0  0.0  1.0
-1.0 -1.0  1.0 1.0 1.0  0.0  0.0  1.0
-1.0  1.0  1.0 0.0 0.0 -1.0  0.0  0.0
-1.0  1.0 -1.0 1.0 0.0 -1.0  0.0  0.0
-1.0 -1.0  1.0 0.0 1.0 -1.0  0.0  0.0
-1.0 -1.0  1.0 0.0 1.0 -1.0  0.0  0.0
-1.0  1.0 -1.0 1.0 0.0 -1.0  0.0  0.0
-1.0 -1.0 -1.0 1.0 1.0 -1.0  0.0  0.0
-1.0  1.0  1.0 0.0 0.0  0.0  1.0  0.0
 1.0  1.0  1.0 1.0 0.0  0.0  1.0  0.0
-1.0  1.0 -1.0 0.0 1.0  0.0  1.0  0.0
-1.0  1.0 -1.0 0.0 1.0  0.0  1.0  0.0
 1.0  1.0  1.0 1.0 0.0  0.0  1.0  0.0
 1.0  1.0 -1.0 1.0 1.0  0.0  1.0  0.0
-1.0 -1.0 -1.0 0.0 0.0  0.0 -1.0  0.0
 1.0 -1.0 -1.0 1.0 0.0  0.0 -1.0  0.0
-1.0 -1.0  1.0 0.0 1.0  0.0 -1.0  0.0
-1.0 -1.0  1.0 0.0 1.0  0.0 -1.0  0.0
 1.0 -1.0 -1.0 1.0 0.0  0.0 -1.0  0.0
 1.0 -1.0  1.0 1.0 1.0  0.0 -1.0  0.0

因此，正如您所看到的，有 36 行 x、y、z、tu、tv、nx、ny、nz 資料。每三行組成一個三角形，給我們 12 個三角形，它們將形成一個立方體。該格式非常直接，可以直接讀入我們的頂點緩衝區並渲染，無需任何修改。

現在需要注意的一點是，某些 3D 建模程式以不同的順序匯出資料，例如左手或右手座標系。請記住，預設情況下 DirectX 11 預設情況下是左手座標系，因此模型資料需要與之匹配。請注意這些差異，並確保您的解析程式能夠處理將資料轉換為正確的格式/順序。

Modelclass.h

在本教程中，我們只需要對 ModelClass 進行一些細微的更改，就可以從我們的文字模型檔案渲染 3D 模型。

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: modelclass.h
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#ifndef _MODELCLASS_H_
#define _MODELCLASS_H_


//////////////
// INCLUDES //
//////////////
#include <d3d11.h>
#include <d3dx10math.h>

現在包含 fstream 庫來處理從模型文字檔案讀取資料。

#include <fstream>
using namespace std;

///////////////////////
// MY CLASS INCLUDES //
///////////////////////
#include "textureclass.h"


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Class name: ModelClass
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
class ModelClass
{
private:
	struct VertexType
	{
		D3DXVECTOR3 position;
		D3DXVECTOR2 texture;
		D3DXVECTOR3 normal;
	};

下一個更改是新增一個新的結構來表示模型格式。它被稱為 ModelType。它包含與檔案格式相同的位置、紋理和法線向量。

	struct ModelType
	{
		float x, y, z;
		float tu, tv;
		float nx, ny, nz;
	};

public:
	ModelClass();
	ModelClass(const ModelClass&);
	~ModelClass();

Initialize 函式現在將模型檔名的字元字串作為輸入。

	bool Initialize(ID3D11Device*, char*, WCHAR*);

	void Shutdown();
	void Render(ID3D11DeviceContext*);

	int GetIndexCount();
	ID3D11ShaderResourceView* GetTexture();


private:
	bool InitializeBuffers(ID3D11Device*);
	void ShutdownBuffers();
	void RenderBuffers(ID3D11DeviceContext*);

	bool LoadTexture(ID3D11Device*, WCHAR*);
	void ReleaseTexture();

我們還有兩個新函式來處理從文字檔案載入和解除安裝模型資料。

	bool LoadModel(char*);
	void ReleaseModel();

private:
	ID3D11Buffer *m_vertexBuffer, *m_indexBuffer;
	int m_vertexCount, m_indexCount;
	TextureClass* m_Texture;

最終的更改是新的私有變數 m_model，它將是新的私有結構 ModelType 的陣列。此變數將用於讀取模型資料並儲存模型資料，然後再將其放入頂點緩衝區。

	ModelType* m_model;

};

#endif

Modelclass.cpp

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: modelclass.cpp
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include "modelclass.h"


ModelClass::ModelClass()
{
	m_vertexBuffer = 0;
	m_indexBuffer = 0;
	m_Texture = 0;

新的模型結構在類建構函式中設定為 null。

	m_model = 0;

}


ModelClass::ModelClass(const ModelClass& other)
{
}


ModelClass::~ModelClass()
{
}

Initialize 函式現在將要載入的模型的檔名作為輸入。

bool ModelClass::Initialize(ID3D11Device* device, char* modelFilename, WCHAR* textureFilename)

{
	bool result;

在 Initialize 函式中，我們現在首先呼叫新的 LoadModel 函式。它將從我們提供的檔名載入模型資料到新的 m_model 陣列中。填充此模型陣列後，我們就可以從它構建頂點和索引緩衝區。由於 InitializeBuffers 現在依賴於此模型資料，因此您必須確保按正確的順序呼叫這些函式。

	// Load in the model data,
	result = LoadModel(modelFilename);
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	// Initialize the vertex and index buffers.
	result = InitializeBuffers(device);
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	// Load the texture for this model.
	result = LoadTexture(device, textureFilename);
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	return true;
}


void ModelClass::Shutdown()
{
	// Release the model texture.
	ReleaseTexture();

	// Shutdown the vertex and index buffers.
	ShutdownBuffers();

在 Shutdown 函式中，我們在完成之後添加了對 ReleaseModel 函式的呼叫，以刪除 m_model 陣列資料。

	// Release the model data.
	ReleaseModel();

	return;
}


void ModelClass::Render(ID3D11DeviceContext* deviceContext)
{
	// Put the vertex and index buffers on the graphics pipeline to prepare them for drawing.
	RenderBuffers(deviceContext);

	return;
}


int ModelClass::GetIndexCount()
{
	return m_indexCount;
}


ID3D11ShaderResourceView* ModelClass::GetTexture()
{
	return m_Texture->GetTexture();
}


bool ModelClass::InitializeBuffers(ID3D11Device* device)
{
	VertexType* vertices;
	unsigned long* indices;
	D3D11_BUFFER_DESC vertexBufferDesc, indexBufferDesc;
	D3D11_SUBRESOURCE_DATA vertexData, indexData;
	HRESULT result;
	int i;

請注意，我們不再在此處手動設定頂點和索引計數。一旦我們到達 ModelClass::LoadModel 函式，您將看到我們將在那時讀取頂點和索引計數，而不是在此處。

	// Create the vertex array.
	vertices = new VertexType[m_vertexCount];
	if(!vertices)
	{
		return false;
	}

	// Create the index array.
	indices = new unsigned long[m_indexCount];
	if(!indices)
	{
		return false;
	}

載入頂點和索引陣列已經改變了一些。我們不再手動設定值，而是迴圈遍歷新的 m_model 陣列中的所有元素，並將這些資料從那裡複製到頂點陣列中。索引陣列很容易構建，因為我們載入的每個頂點都具有與它載入到的陣列中的位置相同的索引號。

	// Load the vertex array and index array with data.
	for(i=0; i<m_vertexCount; i++)
	{
		vertices[i].position = D3DXVECTOR3(m_model[i].x, m_model[i].y, m_model[i].z);
		vertices[i].texture = D3DXVECTOR2(m_model[i].tu, m_model[i].tv);
		vertices[i].normal = D3DXVECTOR3(m_model[i].nx, m_model[i].ny, m_model[i].nz);

		indices[i] = i;
	}

	// Set up the description of the static vertex buffer.
	vertexBufferDesc.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
	vertexBufferDesc.ByteWidth = sizeof(VertexType) * m_vertexCount;
	vertexBufferDesc.BindFlags = D3D11_BIND_VERTEX_BUFFER;
	vertexBufferDesc.CPUAccessFlags = 0;
	vertexBufferDesc.MiscFlags = 0;
	vertexBufferDesc.StructureByteStride = 0;

	// Give the subresource structure a pointer to the vertex data.
	vertexData.pSysMem = vertices;
	vertexData.SysMemPitch = 0;
	vertexData.SysMemSlicePitch = 0;

	// Now create the vertex buffer.
	result = device->CreateBuffer(&vertexBufferDesc, &vertexData, &m_vertexBuffer);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

	// Set up the description of the static index buffer.
	indexBufferDesc.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
	indexBufferDesc.ByteWidth = sizeof(unsigned long) * m_indexCount;
	indexBufferDesc.BindFlags = D3D11_BIND_INDEX_BUFFER;
	indexBufferDesc.CPUAccessFlags = 0;
	indexBufferDesc.MiscFlags = 0;
	indexBufferDesc.StructureByteStride = 0;

	// Give the subresource structure a pointer to the index data.
	indexData.pSysMem = indices;
	indexData.SysMemPitch = 0;
	indexData.SysMemSlicePitch = 0;

	// Create the index buffer.
	result = device->CreateBuffer(&indexBufferDesc, &indexData, &m_indexBuffer);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

	// Release the arrays now that the vertex and index buffers have been created and loaded.
	delete [] vertices;
	vertices = 0;

	delete [] indices;
	indices = 0;

	return true;
}


void ModelClass::ShutdownBuffers()
{
	// Release the index buffer.
	if(m_indexBuffer)
	{
		m_indexBuffer->Release();
		m_indexBuffer = 0;
	}

	// Release the vertex buffer.
	if(m_vertexBuffer)
	{
		m_vertexBuffer->Release();
		m_vertexBuffer = 0;
	}

	return;
}


void ModelClass::RenderBuffers(ID3D11DeviceContext* deviceContext)
{
	unsigned int stride;
	unsigned int offset;


	// Set vertex buffer stride and offset.
	stride = sizeof(VertexType); 
	offset = 0;
    
	// Set the vertex buffer to active in the input assembler so it can be rendered.
	deviceContext->IASetVertexBuffers(0, 1, &m_vertexBuffer, &stride, &offset);

	// Set the index buffer to active in the input assembler so it can be rendered.
	deviceContext->IASetIndexBuffer(m_indexBuffer, DXGI_FORMAT_R32_UINT, 0);

	// Set the type of primitive that should be rendered from this vertex buffer, in this case triangles.
	deviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);

	return;
}


bool ModelClass::LoadTexture(ID3D11Device* device, WCHAR* filename)
{
	bool result;


	// Create the texture object.
	m_Texture = new TextureClass;
	if(!m_Texture)
	{
		return false;
	}

	// Initialize the texture object.
	result = m_Texture->Initialize(device, filename);
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	return true;
}


void ModelClass::ReleaseTexture()
{
	// Release the texture object.
	if(m_Texture)
	{
		m_Texture->Shutdown();
		delete m_Texture;
		m_Texture = 0;
	}

	return;
}

這是新的 LoadModel 函式，它負責將模型資料從文字檔案載入到 m_model 陣列變數中。它開啟文字檔案並首先讀取頂點計數。讀取頂點計數後，它建立 ModelType 陣列，然後將每行讀入陣列中。頂點計數和索引計數現在都在此函式中設定。

bool ModelClass::LoadModel(char* filename)
{
	ifstream fin;
	char input;
	int i;


	// Open the model file.
	fin.open(filename);
	
	// If it could not open the file then exit.
	if(fin.fail())
	{
		return false;
	}

	// Read up to the value of vertex count.
	fin.get(input);
	while(input != ':')
	{
		fin.get(input);
	}

	// Read in the vertex count.
	fin >> m_vertexCount;

	// Set the number of indices to be the same as the vertex count.
	m_indexCount = m_vertexCount;

	// Create the model using the vertex count that was read in.
	m_model = new ModelType[m_vertexCount];
	if(!m_model)
	{
		return false;
	}

	// Read up to the beginning of the data.
	fin.get(input);
	while(input != ':')
	{
		fin.get(input);
	}
	fin.get(input);
	fin.get(input);

	// Read in the vertex data.
	for(i=0; i<m_vertexCount; i++)
	{
		fin >> m_model[i].x >> m_model[i].y >> m_model[i].z;
		fin >> m_model[i].tu >> m_model[i].tv;
		fin >> m_model[i].nx >> m_model[i].ny >> m_model[i].nz;
	}

	// Close the model file.
	fin.close();

	return true;
}

ReleaseModel 函式負責刪除模型資料陣列。

void ModelClass::ReleaseModel()
{
	if(m_model)
	{
		delete [] m_model;
		m_model = 0;
	}

	return;
}

Graphicsclass.h

GraphicsClass 的標題自上一個教程以來沒有改變。

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: graphicsclass.h
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#ifndef _GRAPHICSCLASS_H_
#define _GRAPHICSCLASS_H_


///////////////////////
// MY CLASS INCLUDES //
///////////////////////
#include "d3dclass.h"
#include "cameraclass.h"
#include "modelclass.h"
#include "lightshaderclass.h"
#include "lightclass.h"


/////////////
// GLOBALS //
/////////////
const bool FULL_SCREEN = true;
const bool VSYNC_ENABLED = true;
const float SCREEN_DEPTH = 1000.0f;
const float SCREEN_NEAR = 0.1f;


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Class name: GraphicsClass
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
class GraphicsClass
{
public:
	GraphicsClass();
	GraphicsClass(const GraphicsClass&);
	~GraphicsClass();

	bool Initialize(int, int, HWND);
	void Shutdown();
	bool Frame();

private:
	bool Render(float);

private:
	D3DClass* m_D3D;
	CameraClass* m_Camera;
	ModelClass* m_Model;
	LightShaderClass* m_LightShader;
	LightClass* m_Light;
};

#endif

Graphicsclass.cpp

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: graphicsclass.cpp
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include "graphicsclass.h"


GraphicsClass::GraphicsClass()
{
	m_D3D = 0;
	m_Camera = 0;
	m_Model = 0;
	m_LightShader = 0;
	m_Light = 0;
}


GraphicsClass::GraphicsClass(const GraphicsClass& other)
{
}


GraphicsClass::~GraphicsClass()
{
}


bool GraphicsClass::Initialize(int screenWidth, int screenHeight, HWND hwnd)
{
	bool result;


	// Create the Direct3D object.
	m_D3D = new D3DClass;
	if(!m_D3D)
	{
		return false;
	}

	// Initialize the Direct3D object.
	result = m_D3D->Initialize(screenWidth, screenHeight, VSYNC_ENABLED, hwnd, FULL_SCREEN, SCREEN_DEPTH, SCREEN_NEAR);
	if(!result)
	{
		MessageBox(hwnd, L"Could not initialize Direct3D.", L"Error", MB_OK);
		return false;
	}

	// Create the camera object.
	m_Camera = new CameraClass;
	if(!m_Camera)
	{
		return false;
	}

	// Set the initial position of the camera.
	m_Camera->SetPosition(0.0f, 0.0f, -10.0f);
	
	// Create the model object.
	m_Model = new ModelClass;
	if(!m_Model)
	{
		return false;
	}

模型初始化現在將模型檔案的檔名作為輸入。在本教程中，我們將使用 cube.txt 檔案，因此此模型會載入一個 3D 立方體物件以進行渲染。

	// Initialize the model object.

	result = m_Model->Initialize(m_D3D->GetDevice(), "../Engine/data/cube.txt", L"../Engine/data/seafloor.dds");

	if(!result)
	{
		MessageBox(hwnd, L"Could not initialize the model object.", L"Error", MB_OK);
		return false;
	}

	// Create the light shader object.
	m_LightShader = new LightShaderClass;
	if(!m_LightShader)
	{
		return false;
	}

	// Initialize the light shader object.
	result = m_LightShader->Initialize(m_D3D->GetDevice(), hwnd);
	if(!result)
	{
		MessageBox(hwnd, L"Could not initialize the light shader object.", L"Error", MB_OK);
		return false;
	}

	// Create the light object.
	m_Light = new LightClass;
	if(!m_Light)
	{
		return false;
	}

在本教程中，我已經將漫射光顏色更改為白色。

	// Initialize the light object.

	m_Light->SetDiffuseColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);

	m_Light->SetDirection(0.0f, 0.0f, 1.0f);

	return true;
}


void GraphicsClass::Shutdown()
{
	// Release the light object.
	if(m_Light)
	{
		delete m_Light;
		m_Light = 0;
	}

	// Release the light shader object.
	if(m_LightShader)
	{
		m_LightShader->Shutdown();
		delete m_LightShader;
		m_LightShader = 0;
	}

	// Release the model object.
	if(m_Model)
	{
		m_Model->Shutdown();
		delete m_Model;
		m_Model = 0;
	}

	// Release the camera object.
	if(m_Camera)
	{
		delete m_Camera;
		m_Camera = 0;
	}

	// Release the D3D object.
	if(m_D3D)
	{
		m_D3D->Shutdown();
		delete m_D3D;
		m_D3D = 0;
	}

	return;
}


bool GraphicsClass::Frame()
{
	bool result;
	static float rotation = 0.0f;


	// Update the rotation variable each frame.
	rotation += (float)D3DX_PI * 0.01f;
	if(rotation > 360.0f)
	{
		rotation -= 360.0f;
	}
	
	// Render the graphics scene.
	result = Render(rotation);
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	return true;
}


bool GraphicsClass::Render(float rotation)
{
	D3DXMATRIX worldMatrix, viewMatrix, projectionMatrix;
	bool result;


	// Clear the buffers to begin the scene.
	m_D3D->BeginScene(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

	// Generate the view matrix based on the camera's position.
	m_Camera->Render();

	// Get the world, view, and projection matrices from the camera and d3d objects.
	m_Camera->GetViewMatrix(viewMatrix);
	m_D3D->GetWorldMatrix(worldMatrix);
	m_D3D->GetProjectionMatrix(projectionMatrix);

	// Rotate the world matrix by the rotation value so that the triangle will spin.
	D3DXMatrixRotationY(&worldMatrix, rotation);

	// Put the model vertex and index buffers on the graphics pipeline to prepare them for drawing.
	m_Model->Render(m_D3D->GetDeviceContext());

	// Render the model using the light shader.
	result = m_LightShader->Render(m_D3D->GetDeviceContext(), m_Model->GetIndexCount(), worldMatrix, viewMatrix, projectionMatrix, 
				       m_Model->GetTexture(), m_Light->GetDirection(), m_Light->GetDiffuseColor());
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	// Present the rendered scene to the screen.
	m_D3D->EndScene();

	return true;
}

總結

透過對 ModelClass 的更改，我們現在可以載入 3D 模型並渲染它們。此處使用的格式僅適用於具有光照的基本靜態物件，但是它是瞭解模型格式工作原理的一個良好起點。

待辦事項練習

1. 重新編譯程式碼並執行程式。您應該得到一個旋轉的立方體，上面有相同的 seafloor.dds 紋理。完成後按 Esc 退出。

2. 找到一個不錯的 3D 建模包（希望是免費的），並建立您自己的簡單模型並匯出它們。開始檢視格式。

3. 編寫一個簡單的解析器程式，它接收模型匯出並將其轉換為此處使用的格式。將 cube.txt 替換為您的模型，然後執行程式。